Методы создания монтажных соединений

В производстве современной ЭА операции сборки и монтажа занимают значительный объем. Их трудоемкость составляет на данный период 50-70 % общей трудоемкости изготовле­ния изделий. Микроминиатюризация компонентов и функционально слож­ных электронных устройств в значи­тельной степени повышает плотность упаковки элементов в единице объе­ма. Так, создание сверхбольших инте­гральных схем (СБИС) позволило достичь плотности упаковки 106- 107 1/см3, что является физическим пределом в настоящее время. Но ме­тоды монтажа ЭА не обеспечивают достижения такой высокой плотности упаковки во всем объеме изделия. Ес­ли в блоках на печатных платах аппа­ратуры второго поколения плотность монтажа составляет 10-15 соедине­ний на 1 см2, то в аппаратуре третьего поколения 40-50. В современных многослойных коммутационных пла­тах на керамической подложке мини­мальная ширина линий и зазоров ме­жду ними уменьшена до 0,2-0,4 мкм, а минимальный диаметр переходных отверстий – до 0,1 мкм, что позволи­ло достичь плотности монтажных со­единений 100-150 на 1 см2, а в мно­гокристальных модулях на подложке из полиимида – до 200 на 1 см2.

Прогрессирующая микроминиатю­ризация компонентов, применение поверхностного монтажа вызывают необходимость разработки перспек­тивной технологии монтажных соеди­нений для создания ЭА с высокой на­дежностью внутриблочных и меж­блочных соединений. Традиционные процессы монтажа не обеспечивают необходимой производительности и высокого процента выхода годных из­делий. Низкий уровень автоматизации процессов, применение ручного труда на отдельных операциях не способствуют высокому качеству соединений. Статистические данные показывают, что 50-80 % всех отказов в аппарату­ре происходит вследствие дефектов монтажных соединений, причем обна­ружение и исправление отказа на эта­пе сборки блока обходится в 1000 раз дешевле, чем при испытаниях аппа­ратуры.

Для разработки новых, более эф­фективных процессов монтажа ЭА не­обходимы: углубленное изучение фи­зико-химических основ формирова­ния соединений, рациональный выбор методов активации, применение но­вых материалов и автоматизированно­го оборудования со встроенными сис­темами контроля.

Основные требования, предъявляе­мые к электрическим соединениям при монтаже ЭА:

– минимальное электрическое переходное сопротивление в зоне контакта;

– механическая прочность, близкая к прочности соединяемых материалов;

– стабильность электрических и меха­нических параметров во времени при внешних воздействиях;

– высокая надежность и долговечность в заданных условиях эксплуатации;

– экономичность и производительность процесса создания;

– легкость и достоверность контроля качества.

Низкое электрическое переходное сопротивление и высокая механиче­ская стабильность соединений дости­гаются за счет сил атомной связи, при которой атомы контактирующих ме­таллов, оставаясь в узлах кристалличе­ской решетки, отдают со своих внеш­них оболочек электроны, коллективи­зируемые в виде электронного газа. Для возникновения металлической связи необходимо атомы металлов сблизить до расстояния 1-10 нм и ввести энергию в зону соединения. Энергия может быть введена посред­ством нагрева, давления или трения. При нагреве с ростом температуры увеличивается подвижность атомов, а с появлением жидкой фазы значи­тельно возрастает скорость диффузии.

Давление необходимо для сближе­ния взаимодействующих металличе­ских поверхностей на расстояния, при которых действуют силы Ван-дер-Ваальса. При степени деформации боль­ше 50% благодаря диффузии возни­кает металлическая связь. При пере­мещении механических поверхностей относительно друг друга в процессе трения в месте соприкосновения макровыступов поверхности создаются высокие удельные давления, которые приводят к пластическому течению или расплавлению металла.

Серьезным препятствием для кон­тактирования являются жировые пленки и химические оксиды на по­верхности соединяемых металлов. Удаление этих пленок химическими (флюсованием, обезжириванием) или физическими (ультразвуком, плазмен­ной очисткой) методами является не­отъемлемой частью процесса образо­вания соединения.

Методы создания электрических со­единений основаны на непосредствен­ном контактировании соединяемых материалов и использовании проме­жуточных материалов в зоне соедине­ния (рис.3.1). Непосредственное кон­тактирование соединяемых материа­лов осуществляют под воздействием давления (холодная сварка, накрутка, обжимка), теплоты и давления (раз­личные методы сварки), давления и физического воздействия (УЗ-сварка). Соединения с промежуточными мате­риалами в виде присадок припоя (пайка) или токопроводящего клея (склеивание) выполняют под действи­ем давления и теплоты.

Методы создания монтажных соединений - №1 - открытая онлайн библиотека

Рис.3.1. Классификация методов выполнения электрических соединений

Наиболее важным показателем элек­трических соединений является переходное электрическое (контактное) со­противление. Если сравнить падение на­пряжения в трех случаях: в сплошном проводнике на участке АВ (рис. 3.2), в зоне контакта двух соединенных непосредственно друг с другом материа­лов и в зоне контакта через промежу­точный материал, то окажется, что оно будет различным.

Методы создания монтажных соединений - №2 - открытая онлайн библиотека

Рис. 3.2. Схема измерения падения напряжения в зоне

а - сплошной проводник, б - непосредственное контактирование;

в - соединение через промежуточный мате­риал.

Для сплошного проводника электри­ческое сопротивление постоянному то­ку RV определяется на основании из­вестного закона Ома. Для двух соеди­ненных металлических проводников одинакового сечения и материала элек­трическое сопротивление контакта:

Rк= Rv+Rпер

где Rпер – переходное электрическое сопротивление. В этом случае гомо­генную связь между материалами на­рушают различные поверхностные не­ровности и оксидные пленки в месте контакта и переходное сопротивление складывается из сопротивления оксидных пленок Rп и сопротивления сужению Rс:

Rпер = Rп+ Rс

Сопротивление сужению возникает вследствие неровности поверхности контакта, наличия дефектов в зоне контакта и стягивания линий тока:

Rc=ρ/Sк

где ρ – удельное сопротивление;

Sк – площадь поверхности контактирова­ния.

Сопротивление оксидных пленок можно определить так:

Rп = ρпh/Sк,

где ρп – удельное сопротивление по­верхностных пленок;

h – толщина пленок.

Для электрического соединения че­рез промежуточный материал кон­тактное сопротивление складывается из следующих составляющих:

Rк= Rv+2Rпер+Rм

где Rм – электрическое сопротивле­ние слоя промежуточного материала.

Поскольку отношение удельных электрических сопротивлений оловянно-свинцовых припоев и медного про­водника δ = ρпрм = 8÷10, то контактное сопротивление паяного соединения выше, чем соединения с непосредствен­ным контактированием. С учетом это­го расчет паяного соединения на то­ковую нагрузку проводится в наиболее «тяжелом» варианте, т. е. считается, что весь ток проходит через припой. Для круглых деталей, соединяемых встык при D2>D1 (рис. 3.3, а), диаметр при­поя в соединении рассчитывается так:

Методы создания монтажных соединений - №3 - открытая онлайн библиотека

где D1 – диаметр соединяемого проводника.

Расчет механической прочности паяного соединения выполняют по сечению наиболее «слабой» детали. В паяном соединении такое сечение проходит по припою. Механическая прочность спая Р определяется сле­дующим образом:

Методы создания монтажных соединений - №4 - открытая онлайн библиотека

где σв – предел прочности припоя при растяжении;

Snp – площадь попе­речного сечения припоя, которое для нахлесточного соединения

(рис. 3.3, б) равно Lnp b; b – ширина нахлеста.

Методы создания монтажных соединений - №5 - открытая онлайн библиотека Методы создания монтажных соединений - №6 - открытая онлайн библиотека

Рис. 3.3. Соединение пайкой а:

а – стыковое; б - нахлесточное

Сравнительная характеристика па­раметров электрических соединений, выполненных различными методами, приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Параметры электрических соединений.

Вид соединения Переходное сопро-тивление Rпер, мОм Прочность Р МПа Интенсивность отказов 1·10-9, ч-1 Тепловое сопротив- ление R т , ˚С/Вт
Сварка Накрутка Пайка Обжимка Токопроводящим клеем 0,01 – 1 1 – 2 2 – 5 1 – 10 (1 – 10) Ом м 100 – 500 60 – 80 40 – 50 20 – 50 5 – 10 0,1 – 3,0 0,2 – 0,5 1 – 10 2 – 5 0,001 0,0005 0,002 0,001 5,0

Паяные электрические соединения нашли самое широкое применение при монтаже ЭА благодаря следую­щим достоинствам: низкому и ста­бильному электрическому сопротивле­нию, широкой номенклатуре соеди­няемых металлов, легкости автомати­зации, контроля и ремонта. Недостат­ки паяных соединений связаны с вы­сокой стоимостью используемых цвет­ных металлов, необходимостью удале­ния остатков флюса, низкой термо­стойкостью.

Сварные электрические соединения по сравнению с паяными имеют сле­дующие преимущества: более высокая механическая прочность, отсутствие присадочного материала, меньшая площадь контакта. К недостаткам следует отнести: критичность при выборе со­четаний материалов, увеличение пере­ходного сопротивления из-за образова­ния интерметаллидов, сложность груп­пового контактирования и ремонта.

Электрические соединения, осно­ванные на пластической деформации элементов в холодном состоянии (на­крутка и обжимка), характеризуются высокой механической прочностью, низким переходным электрическим сопротивлением, легкостью механиза­ции, экономичностью и надежностью при эксплуатации. К недостаткам от­носятся: необходимость специальных контактирующих элементов, увели­ченная площадь контакта.

Накрутка – это соединение ого­ленного провода со штыревым выво­дом, имеющим острые кромки, путем навивки провода на вывод с опреде­ленным усилием. При этом кромки штыря, частично деформируясь, вре­заются в провод, разрушая на нем ок­сидную пленку и образуя газонепро­ницаемое соединение. Концентрация напряжений в зоне контакта и значи­тельное давление (до 15-20 МПа) обусловливают взаимную диффузию металлов, что способствует повыше­нию надежности соединений.

Обжимка представляет собой спо­соб образования контактного соедине­ния под действием сильной пластиче­ской деформации соединяемых элемен­тов. Вследствие холодной текучести контактирующих поверхностей между соединяемыми материалами образует­ся газо- и вибростойкое соединение.

Токопроводящие клеи в отличие от припоев отверждаются при более низ­ких температурах, что не вызывает из­менения структуры соединяемых мате­риалов. Токопроводящие клеи – контактолы – относятся к гетерогенным структурам, в которых связующим яв­ляются различные смолы, а наполни­телем – порошки серебра, золота, пал­ладия, никеля, меди, графита. Основ­ную массу таких клеев приготавлива­ют на основе эпоксидных, уретановых, силиконовых композиций.

Контактолы применяются при мон­таже ЭА в тех случаях, когда пайка невозможна, так как нагрев ведет к повреждению термочувствительных ком­понентов, а также в труднодоступных местах сборочных единиц и блоков (например, для присоединения кри­сталлов и подложек ИМС к корпусам, при ремонте печатных плат, при за­землении компонентов, в СВЧ-устройствах). Контактолы имеют низкое удельное объемное электрическое со­противление и стабильные электри­ческие свойства при эксплуатации в жестких климатических условиях.

Клеи типа К-8, К-12 применяются для соединения палладиевых, серебря­ных и медных поверхностей; К-16, К-17 – покрытых припоем ПОС–61 и ПСрОСЗ–58; ТПК–3 - диэлектриче­ских и металлических поверхностей. Недостатками данного вида соедине­ний являются высокое электрическое сопротивление контакта, низкие тер­мостойкость и надежность.

Для посадки кристаллов ИМС на ос­нования используют токопроводящие пасты. При автоматизированной сборке кристаллов больших размеров токопро­водящие пасты обеспечивают высокую производительность, низкую стоимость, невысокую температуру процесса.

Токопроводящая композиция на ос­нове клея ВК-32-200 содержит 30–35 % никелевого порошка с размером частиц менее 10 мкм и 0,3–0,45 % порошка монокристаллического кремния с раз­мером частиц 0,5–2 мкм. Удельное объемное сопротивление композиции составляет

(1,5–2)·104 Ом·см, предел прочности соединений на разрыв 10–15 МПа. Недостатком данной компо­зиции является изменение ее прочно­стных свойств при последующих опе­рациях (термокомпрессионная разварка выводов), а также сложность под­держания однородного состава в про­цессе приклеивания. Лучшие характе­ристики имеют токопроводящие ком­позиции с металлическим наполните­лем – порошком серебра. Так, компо­зиция Ablebond 84 фирмы Ablestik име­ет удельное сопротивление 1·10-4 Ом·см, предел прочности соединений на раз­рыв – до 26 МПа.

3.2. Физико-химическое содержание процесса пайки.

Пайкой называется процесс соедине­ния материалов в твердом состоянии путем введения в зазор легкоплавкого металла - припоя, взаимодействую­щего с основными материалами и об­разующего жидкую металлическую про­слойку, кристаллизация которой при­водит к образованию паяного шва. Из определения следует, что:

– пайка происходит при температу­рах, существенно меньших темпера­тур плавления соединяемых мате­риалов, что уменьшает их перегрев;

– возможно соединение как металли­ческих, так и неметаллических ма­териалов;

– в зоне контакта должен образовываться промежуточный слой, состоящий из припоя и продуктов его взаимодействия с паяемыми материалами.

Для образования качественного пая­ного соединения необходимо:

– подго­товить поверхности соединяемых де­талей;

– активировать материалы и при­пой;

– удалить оксидные пленки в зоне контакта;

– обеспечить взаимодействие на межфазной границе раздела;

– соз­дать условия для кристаллизации жид­кой металлической прослойки.

Подготовка поверхностей деталей к пайке включает механическую, хими­ческую или электрохимическую очи­стки от оксидов, загрязнений органи­ческого и минерального происхожде­ния, а также нанесение покрытий, улучшающих условия пайки или по­вышающих прочность и коррозион­ную стойкость паяных соединений.

Удаление продуктов коррозии и ок­сидных пленок механическим спосо­бом проводят с помощью режущего инструмента (напильника, шлифо­вального круга, шабера), а также наж­дачной бумаги, проволочной сетки. Для повышения производительности при обработке протяженных или сложнопрофилированных изделий применяют гидроабразивную очистку с помощью струи жидкости или вра­щающихся щеток из синтетического материала с добавлением в моющий состав абразивных частиц. Образова­ние шероховатой поверхности после механической обработки способствует увеличению растекания припоя, так как риски на поверхности являются мельчайшими капиллярами.

Удаление поверхностных пленок, препятствующих смачиванию расплав­ленным припоем, осуществляется как химическими, так и электрохимическими способами. Химическое обез­жиривание деталей проводят в 5 %-м растворе щелочи или в органических растворителях (ацетон, бензин, спирт, четыреххлористый углерод), спирто-бензиновых и спиртофреоновых сме­сях путем протирки, погружения, рас­пыления, обработки в паровой фазе или ультразвуковой ванне.

Для ультразвукового обезжирива­ния используют ванны УЗВ 1-0,1, УЗВЗ-0,16, УЗВ-0,4, работающие на частотах 18–22 кГц в докавитационном режиме, который обеспечивает получение интенсивных микропотоков в моющей жидкости, что гарантирует высокое качество очистки мелких де­талей и ускоряет процесс в 5–10 раз.

Толстые слои оксидных пленок уда­ляют травлением, в растворах кислот или щелочей. Состав раствора опреде­ляется видом металла, толщиной ок­сидной пленки и требуемой скоро­стью травления. Электрохимическое травление ускоряет процесс растворе­ния оксидных пленок и проводится при плотности тока 2–5 А/дм2. После травления детали тщательно промыва­ют в нейтрализующих растворах.

Очищенные детали необходимо не­медленно направлять на сборку и пай­ку, так как паяемость меди сохраняет­ся 3–5 сут, а серебра 10–15 сут. По­этому для обеспечения межопераци­онного хранения деталей и компонен­тов ЭА на их поверхности наносят ме­таллические покрытия, которые улуч­шают процесс смачивания припоем и сохраняют паяемость в течение дли­тельного времени. В качестве таких покрытий используют легкоплавкие припои (ПОС61, ПОСВ 33 и др.), сплавы олова с висмутом или нике­лем, золото, серебро, палладий и дру­гие металлы, которые наносят погру­жением в расплав, гальваническим или термовакуумным осаждением, а также плакированием. При первом методе погружение производят в рас­плавы припоев после предварительного флюсования. Гальванические по­крытия благородными металлами на­носят толщиной 3–6 мкм, остальны­ми – 6–9 мкм. Пленки, полученные термовакуумным осаждением, отлича­ются высокой равномерностью, отсут­ствием окисления покрытия, однако имеют малую толщину (0,1–1,0 мкм). Плакирование осуществляется совме­стной прокаткой паяемого металла и металла покрытия; при этом обеспе­чивается равномерная толщина по­крытия (100–150 мкм). После выпол­нения подготовительных операций или межоперационного хранения кон­тролируется пригодность деталей к пайке путем оценки паяемости.

Активация паяемых поверхностей необходима для физико-химического взаимодействия атомов основного ме­талла и припоя. При этом с поверхно­сти взаимодействующих металлов должны быть удалены оксидные плен­ки, а атомы должны достичь требуе­мого уровня энергии активации. При температуре пайки, когда все атомы возбуждены, скорость реакции взаи­модействия определяется уравнением:

Методы создания монтажных соединений - №7 - открытая онлайн библиотека

где N0 – число контактирующих ато­мов на поверхности основного метал­ла;

N – число атомов, вступивших в химическую связь;

γ – частота собст­венных колебаний атомов (для метал­лов 1·1013c-1)

Q – энергия акти­вации для образования химической связи;

k – постоянная Больцмана (1,381·10 -23-Дж/К);

Тп – температура пайки, К.

Проинтегрировав последнее уравне­ние при Тп = const и следующих на­чальных и конечных условиях: t=0, N=0, t=tn, N=Nn, получим время пайки, в течение которого прореаги­рует Nп атомов металла:

Методы создания монтажных соединений - №8 - открытая онлайн библиотека

Следовательно, тепловая энергия активации Q оказывает решающее влия­ние на скорость взаимодействия ато­мов основного металла и припоя. По­скольку главным фактором образования паяного соединения является тепловая активация паяемых поверхностей, то ее характер определяет классифика­цию способов нагрева (рис. 3.4).

Методы создания монтажных соединений - №9 - открытая онлайн библиотека

Рис. 3.4. Классификация способов нагрева при пайке

Существуют три способа переноса энергии в форме теплоты: теплопро­водностью, конвекцией и излучением. Перенос теплоты при пайке паяль­ником осуществляется за счет тепло­проводности паяльного жала, которое служит аккумулятором теплоты, вы­деляемой нагревателем. Взаимосвязь температуры жала Тж и нагревателя Тн следующая:

Методы создания монтажных соединений - №10 - открытая онлайн библиотека

где ch – косинус гиперболический;

Методы создания монтажных соединений - №11 - открытая онлайн библиотека

α– коэффициент теп­лоотдачи с поверхности жала;

П – пе­риметр поперечного сечения жала;

λ – коэффициент теплопроводности стержня;

S – площадь поперечного сечения;

L – длина жала.

Скорость нагрева па­яльником зависит от тем­пературы жала и количе­ства теплоты, аккумулиро­ванного жалом (4–8 кДж). Удельная мощность, вы­деляемая в зоне пайки деталей паяльником, не превышает 1·104 Вт/м2.

Пайка расплавленным припоем осуществляется путем контакта паяемых деталей с обширной по­верхностью расплава, ак­кумулирующего значитель­но большее количество теплоты, чем паяльник, поэтому удельная мощность при этом достигает 106 Вт/м2, что со­кращает время пайки.

При газопламенном нагреве пламя горелки является конвективным теплообменным источником нагрева. Удель­ный тепловой поток:

Методы создания монтажных соединений - №12 - открытая онлайн библиотека

где α – коэффициент теплоотдачи ме­жду пламенем горелки и нагреваемым материалом детали;

Тпл – температура пламени;

Тд – температура детали.

Для газопламенной пайки, сварки, резки мелких деталей с высокой тем­пературой плавления применяют ап­параты с водородной микрогорелкой, в основу работы которых положен принцип электролиза воды электриче­ским током. Аппарат представляет со­бой настольный переносной прибор, состоящий из электролизера, смесите­лей, дополнительного смесителя, па­нели управления, горелки. Для увели­чения проводимости в дистиллирован­ную воду добавляют химически чис­тый едкий калий. В результате прохо­ждения электрического тока из рас­твора выделяются водород и кисло­род. В смесителе после прохождения через водный затвор смесь насыщает­ся парами бензина (спирта или ацето­на) и поступает в горелку. Управление электролизом воды осуществляется с помощью электронного регулятора мощности. Горелка формирует необ­ходимый факел пламени и снабжается быстросъемными наконечниками. При газопламенном нагреве возможны пе­режог деталей, окисление припоя вследствие неравномерности темпера­турного поля в зоне нагрева.

Более перспективны бесконтактные способы нагрева паяемых деталей раз­личными видами излучений. При пай­ке излучением высокой частоты (ВЧ) в деталях индуцируются токи, которые проходят главным образом в поверх­ностном слое толщиной δ и разогрева­ют детали до необходимой температу­ры. Глубина проникновения токов ВЧ:

Методы создания монтажных соединений - №13 - открытая онлайн библиотека

где ρ, μ – соответственно удельное электрическое сопротивление и маг­нитная проницаемость металла;

f – частота тока.

Поскольку глубина проникновения зависит от частоты, то для толстостен­ных деталей (2–5 мм) применяют низ­кочастотный нагрев (66 кГц), для тон­костенных – ВЧ-нагрев (440; 1760 кГц). Скорость нагрева пропорциональна Методы создания монтажных соединений - №14 - открытая онлайн библиотека , удельная мощность в зоне на­грева составляет 106–108 Вт/м2.

Технологической оснасткой при ВЧ-пайке является индуктор, пред­ставляющий собой катушку из не­скольких витков полой медной труб­ки, по которой в процессе нагрева интенсивно прокачивается охлаждаю­щая жидкость – вода. Витки индук­тора располагаются вблизи нагревае­мых деталей (рис. 3.5), при этом КПД нагрева:

Методы создания монтажных соединений - №15 - открытая онлайн библиотека

где ρ1, ρ2 – удельные электрические сопротивления индуктора и детали соответственно.

Методы создания монтажных соединений - №16 - открытая онлайн библиотека

Рис. 3.5. Схема нагрева токами ВЧ:

1,4- детали; 2 - припой; 3 - индуктор; Dн, Dд - диаметр индуктора и детали

КПД индуктора тем выше, чем больше значения ρ2 и μ для нагревае­мого металла (для сталей η = 0,7– 0,8; для медных сплавов 0,5 – 0,6). Мощ­ность, выделяемая при высокочастот­ном нагреве в детали, рассчитывается по формуле:

Методы создания монтажных соединений - №17 - открытая онлайн библиотека

где Uэф – эффективное напряжение на индукторе;

cosφ – коэффициент мощности, зависящий от расстояния h и магнитной

проницаемости μ;

n – число витков индуктора;

RД – элек­трическое сопротивление детали.

При заданной номинальной мощ­ности ВЧ-установки, постоянных зна­чениях коэффициента мощности, КПД нагрева и числа витков индукто­ра, которое ограничено размерами зо­ны нагрева, повышение эффективно­сти ВЧ-нагрева может быть достигну­то за счет снижения электрического сопротивления изделия, определяемо­го по формуле

Методы создания монтажных соединений - №18 - открытая онлайн библиотека

где LH – средняя длина зоны нагрева;

b – ширина зоны нагрева.

Эффективность нагрева повышает­ся, если в зоне нагрева образовать электрический короткозамкнутый кон­тур с малым удельным электрическим сопротивлением, расположенный вдоль паяемого соединения и выполненный в виде локального покрытия (медного, серебряного) толщиной 20 – 30 мкм либо специальной оправки.

Воздействие СВЧ -излучения мощ­ностью 5– 10 Вт на атмосферу рабоче­го газа (аргона) приводит к его иони­зации, что дает возможность получать плазменный стержень тлеющего раз­ряда диаметром 0,1– 10 мм с темпера­турой до 1000 °С. СВЧ-излучение от магнетронного генератора непрерыв­ного действия мощностью 5–10 Вт возбуждают в волноводно-коаксиальном тракте, в который подают аргон с небольшой добавкой водорода со ско­ростью 1–5 л/мин. С помощью плаз­менного стержня практически безы­нерционно можно вести пайку планарных выводов микросхем к кон­тактным площадкам плат. Недостат­ком метода является значительный градиент температур, как по длине стержня, так и в радиальном направ­лении.

Инфракрасное (ИК) излучение при­меняют для бесконтактного нагрева деталей в различных средах: на возду­хе, в контролируемой атмосфере, в ва­кууме. Зависимость интенсивности излучения I от температуры и длины волны источника устанавливает закон Планка:

Методы создания монтажных соединений - №19 - открытая онлайн библиотека

где С1, С2 – постоянные Планка: С1 =0,374· 10 –5 Вт, С2 = 1,439·10 -2 м·К;

λ– длина волны излучения;

Т– аб­солютная температура.

Инфракрасное тепловое излучение находится в диапазоне длин волн 0,76– 1000 мкм, однако наибольшая эффективность (75 %) приходится на коротковолновый поддиапазон 0,75– 3,0 мкм. Падающее на паяемую по­верхность ИК-излучение вследствие поглощения незначительно проникает в глубь металла, частично отражаясь от его поверхности. Отражательная способность гладких поверхностей чистых металлов зависит от их удель­ного электрического сопротивления и температуры поверхности:

Методы создания монтажных соединений - №20 - открытая онлайн библиотека

Для полированных поверхностей из серебра, алюминия коэффициент от­ражения составляет 95 %, поэтому они используются для изготовления рефлекторов ИК-установок. Неотра­женная часть излучения поглощается рефлектором, и в установках преду­сматривают его водяное или воздуш­ное охлаждение (рис. 3.6).

Методы создания монтажных соединений - №21 - открытая онлайн библиотека

Рис. 3.6. Схема ИК-нагрева:

1 - рефлектор; 2 - ИК-лампа; 3 - маска; 4 - деталь

В качестве источников ИК-энергии используются галогенные кварцевые лампы мощностью 500–2000 Вт. Га­логенные (йодные, галоидные) лампы изготавливаются из кварцевого стекла и имеют вольфрамовую спираль с ра­бочей температурой порядка 3000°С и сроком службы 2000–5000 ч.

Методы создания монтажных соединений - №22 - открытая онлайн библиотека

Рис. 3.7. Типы отражателей ИК-излучения

В процессах пайки широкое приме­нение получили два вида ИК-нагрева: локальный сфокусированный и пре­цизионный рассеянный. Для локаль­ного нагрева целесообразны отражате­ли эллиптической формы, фокусирую­щие излучение источника, помещенного в ближнем фоку­се рефлектора, на объ­ект нагрева в дальнем фокусе (рис. 3.7, а)

Для прецизионного нагрева используют параболи­ческие (рис. 3.7, б) ли­бо овально-цилиндри­ческие с сопловыми насадками рефлекторы (рис. 3.7, в).

Суммарный поток энергии от параболи­ческого рефлектора:

Методы создания монтажных соединений - №23 - открытая онлайн библиотека

где Епр отр – прямое от источника и отраженное от рефлектора излучение соответственно.

Поскольку профиль параболическо­го рефлектора описывается уравнением

Методы создания монтажных соединений - №24 - открытая онлайн библиотека

где l/2 – расстояние от лампы до рефлектора, то прямое излучение в плоскости, перпендикулярной к оси лампы,

Методы создания монтажных соединений - №25 - открытая онлайн библиотека

где I – интенсивность излучения ис­точника, Вт/м2;

R – радиус источни­ка;

h– расстояние до объекта.

Излучение, отраженное рефлекто­ром, определяется выражением:

Методы создания монтажных соединений - №26 - открытая онлайн библиотека

где k – коэффициент отражения.

При длине волны λmax =1,1мкм спектральная интенсивность излуче­ния достигает 50–60 Вт/(ср · мкм), где ср – стерадиан, а облученность равна (1,0–1,4)·104 Вт/м2.

К достоинствам пайки ИК-излучением следует отнести: бесконтактный подвод энергии к паяемым деталям, точную регулировку времени и темпе­ратуры нагрева, локальность нагрева в зоне пайки. Недостатки процесса – затруднение при флюсовой пайке (ис­паряющийся флюс загрязняет лампы и рефлекторы), отсутствие серийно выпускаемого оборудования.

Оптическое излучение в диапазоне длин волн 0,7–10,6 мкм, генерируе­мое различными типами лазеров, яв­ляется удобным, надежным и эконо­мичным видом бесконтактного нагре­ва. В технологии пайки используют лазерные установки, основным эле­ментом которых является оптический квантовый генератор (ОКГ), создаю­щий мощный импульс монохромати­ческого когерентного излучения. Пай­ка лазерным излучением не требует вакуума и позволяет соединять изде­лия из разнотолщинных элементов. В процессах пайки используют как не­прерывное, так и импульсное лазер­ное излучение.

Процессы пайки ЭРЭ и микросхем на печатные платы с помощью лазер­ного излучения, получаемого от твер­дотельного ОКГ на алюмоиттриевом гранате (АИГ) мощностью до 125 Вт с λ=1,06 мкм, отличаются высокой производительностью. Средняя плот­ность потока излучения в случае круг­лой формы луча с гауссовой кривой распределения определяется следую­щим образом:

Методы создания монтажных соединений - №27 - открытая онлайн библиотека

где Р – падающая мощность излуче­ния;

V – скорость перемещения пла­ты;

D – диаметр луча на плате.

Для качественной пайки выводов микросхем к контактным площадкам печатных плат необходимо, чтобы плотность потока излучения составля­ла 1,95–2,0 Дж/мм2. Перемещение пе­чатной платы со скоростью 8 мм/с обеспечивает производительность про­цесса 400–440 паек в минуту. Про­цесс пайки может быть легко автома­тизирован путем применения коорди­натного стола и системы ЧПУ, осуще­ствляющей управление столом и мощ­ностью излучения. Лазерное излучение не влияет на электроизоляционные свойства диэлектриков, если средняя плотность потока не превышает 3,4 и 2,8 Дж/мм2 для материалов СФ-2-50 и ФТС соответственно.

Для низкотемпературной пайки за рубежом используют установки мно­готочечной пайки с голографическим делением луча (рис. 3.8). В этом слу­чае луч лазера, генерируемый ОКГ 1, с помощью телецентрической оптики 2 сначала расширяется до значитель­ного диаметра, а затем направляется как плоскопараллельный поток на голограмму 3.

Методы создания монтажных соединений - №28 - открытая онлайн библиотека

Рис.3.8. Схема лазерной пайки.

Отражаясь от плоского зеркала 4, лучи направляются на уча­стки пайки 5 с высокой степенью ло­кальности. Для каждого процесса пай­ки необходима специальная голограм­ма, содержащая информацию о том, на какое количество элементарных лучей должен быть разложен пучок и в каких точках сфокусирован каждый из них.

Для пайки легкоплавкими припоя­ми изделий электронной техники дос­таточна мощность 5 Вт, выделяемая в зоне протекания процесса. Одним им­пульсом промышленного лазера мощ­ностью 20–50 Вт можно осуществлять пайку одновременно в нескольких точках. При использовании лазерных установок целесообразно применять в качестве припоев покрытия, которые, оплавляясь, образуют соединения.

В обычном состоянии поверхность металлов покрыта оксидными пленка­ми. Нагрев основного металла и рас­плавленного припоя приводит к тому, что их активность снижается вследст­вие взаимодействия с кислородом воз­духа и ростом оксидных пленок на поверхности. Удаление оксидных пле­нок в процессе пайки является необ­ходимым условием получения качест­венных паяных соединений. Класси­фикация способов удаления оксидных пленок приведена на рис. 3.9.

Методы создания монтажных соединений - №29 - открытая онлайн библиотека

Рис.3.9. Классификация способов удаления оксидных пленок.

Константа равновесия реакции окисления металла Кр зависит от дав­ления паров кислорода в окружающей среде при данной температуре:

Методы создания монтажных соединений - №30 - открытая онлайн библиотека

где Методы создания монтажных соединений - №31 - открытая онлайн библиотека , Методы создания монтажных соединений - №32 - открытая онлайн библиотека , Методы создания монтажных соединений - №33 - открытая онлайн библиотека – давление па­ров металла, кислорода и оксида соот­ветственно.

Уменьшив парциальное давление кислорода и увеличив температуру среды, можно сместить равновесие ре­акции в сторону разложения (диссоциации) оксида. Однако полное раз­ложение оксидов металла (например, олова, меди) происходит при очень низком давлении (10 -6 – 10 -8 Па) и температуре 600 – 700 °С.

При нагреве металлов в активных (восстановительных) газовых средах, в качестве которых используют азотно-водородную смесь или добавку оксида углерода, происходит восстановление оксидов металлов активными компо­нентами газовых сред.

Недостатком такого процесса явля­ется взаимодействие водорода с рас­плавленным припоем, что приводит в ряде случаев к появлению водородной хрупкости, образованию пор, трещин и других дефектов.

Суть механического удаления оксид­ных пленок с паяемой поверхности заключается в их разрушении под сло­ем жидкого припоя с помощью режу­щего или абразивного инструмента; при этом припой защищает паяемую поверхность от воздействия кислорода воздуха и вступает с ней в физический контакт. В качестве режущего и абра­зивного инструмента используют ме­таллические щетки, сетки, а в качестве материалов – порошки из твердых материалов, асбест, вводимые в при­пой в мелкоизмельченном виде. Не­достатки метода – низкая производи­тельность, неравномерность удаления оксидных пленок, загрязнение припоя частицами абразива.

Самым распространенным спосо­бом удаления оксидов в процессе пай­ки является флюсование. Флюс как хи­мический реагент имеет два основных назначения: очистить поверхность ме­талла от оксидов; уменьшить поверх­ностное натяжение припоя и угол сма­чивания. Типичные представители ак­тивных флюсов содержат в качестве растворителя воду или спирты, актива­торами являются неорганические и ор­ганические кислоты либо их соли, на­пример соляная или фосфорная кисло­та, неорганические соли (ZnCl2, NH3CI, SnCl2, CuCl и др.). При взаимодейст­вии хлористого цинка и воды образу­ется соляная кислота, которая раство­ряет оксиды на поверхности металла:

ZnCl2 + Н2О → Zn(OH)Cl + HC1,

CuO + 2НС1 → CuCl2 + Н2О.

В результате образуется хлористая медь, которую ввиду ее хорошей рас­творимости в воде необходимо удалять с поверхнос